上海地铁1号线车辆转向架寿命预测数值分析

2. S hangha i M etro O pera tion Co. , L td, S hangha i 200003 ) Abstract: M ultip le cracks were found in the vehicle bogies of Shanghai metro line 1, which began its operation in 1992, so that the life of the vehicle bogies is much less than 30 years p rom ised by the technical specification. This paper sim ulated the stress of vehicle bogie by 3D FEM to p resent the distribution of every stress concentration point . The Goodman fatigue diagram was drawn based on the stress concentration points and the life of the motor bracket of the bogie was p redicted by the revised M iner theory . This paper concluded that the bogie cracks of Shanghai metro line 1 are contributed by the overburden fatigue load, and ignoring the lateral vibration load in the design of the vehi2 cle bogie is the i mportant cause for that the bogie cracks occurred far earlier than the designed life tim e. The compu2 ted frequency from the lateral vibration is much higher than that from the vertical vibration so the damage by the later2 al vibration to the vehicle is more than by the vertical vibration. Keywords: metro bogie; FEM; lifetim e p rediction
D =
∑N
i =1
( 3)
i
式中 : N i 为对应于当前载荷水平 S i 的疲劳寿命 。 ( 3 )临界疲劳损伤 D cr : 若是常幅循环载荷 ,显然当循环载荷的次数 n 等于其疲劳寿命 N 时 ,疲劳破坏发生 ,即 n = N , 由 n 1 式 D = ∑ 得到
i =1
2 基于名义应力法的寿命预测理论
, Ki m等
[ 5, 6 ]
也曾针对
列车转向架进行过分析 。 本文针对地铁转向架电机吊座的结构特点和 受力特点 ,对电机吊座局部进行受力分析 。并且利 用名义应力疲劳设计法对电机吊座应力集中部位 进行了分析 , 得到反映结构疲劳强度性能的 S - N 曲线 ,并且进行寿命预测 。
变幅载荷下 , n 个循环造成的损伤 : n 1
M iner理论是一个线性疲劳累积损伤理论 ,对于 随机载荷 ,试验件破坏时的临界损伤值 D cr 在 1 附 近 ,这也是目前工程上广泛采用 M iner理论的原因 。
862
地 下 空 间 与 工 程 学 报 第 5卷
3 地铁 1 号线车辆转向架三维有限
ห้องสมุดไป่ตู้
骤
[4]
,如图 2。
图 1 地铁列车转向架构架
Fig . 1 The bogie frame of the metro train
名义应力法的核心就是确定材料的 S - N 曲 线 ,和危险部位的名义应力谱 。 2. 2 疲劳累计损伤理论 线性疲劳累积损伤理论是指在循环载荷作用 下 ,疲劳损伤是可以线性地累加的 , 各个应力之间 相互独立并互不相关 ,当累加的损伤达到某一数值 [8] 时 ,试件或构件就发生疲劳破坏 。线性累积损 伤理论中典型的是 Palm gren - M iner理论 , 简称为 M iner理论 。 ( 1 )一个循环造成的损伤 :
表 1 ST52 - 3 材料参数表
Table 1 The ma ter i a l param eter of ST52 - 3
图 4 转向架承受荷载和荷载作用点示意图
Fig . 4 The sketch of bogie mechanics
弹性模量 E 泊松比 υ 密度 dn 极限强度标准值 σu 极限强度设计值 σu ’ 屈服强度标准值 σs 屈服强度设计值 σs ’
1 引言
地铁车辆转向架的基本作用是支承车体 ,承受 并传递从车体至轮对之间及从轮轨至车体之间的 各种载荷 ,并使轴重均匀分配 , 保证车辆能灵活地
3
沿轨道安全运行 。转向架的安全性是保证列车安 全的最有力保障 。上海地铁 1 号线车辆转向架构 架为 H 型焊接结构 , 材料为 D in ST52 - 3 (德国钢 牌号与国产低合金钢 16M n的机械性能基本一致 ) 结构钢 。图 1 为地铁列车转向架构架 。
[7]
1
N
( 1)
等人通过在线试验 ,统计得到了电机各向不同加速 度值出现的频次 ,为转向架的强度设计和寿命预计 提供了依据 。国外 D ietz
[4]
式中 : N 为对应于当前载荷水平 S 的疲劳寿命 ( N 由 S - N 曲线确定 ) 。 ( 2 )等幅载荷下 , n 个循环造成的损伤 :
D = n N ( 2)
第 5卷 第 5期 2009 年 10 月
地下空间与工程学报 Chinese Journal of Underground Space and Engineering
Vol . 5 Oct . 2009
上海地铁 1 号线车辆转向架寿命预测数值分析
金国龙 ,谢雄耀 ,王如路
38 次为电机吊座裂纹 , 11 次为齿轮箱吊座部位的
牵引拉杆座裂纹 , 1 次为齿轮箱吊座裂纹 。
图 2 名义应力法疲劳寿命估算的步骤
Fig . 2 Flow chart of fatigue lifetim e p rediction w ith nom inal stress method
2. 1 × 10 M Pa 0. 29 7. 8 × 10 kg /m 510M Pa 480M Pa 355M Pa 300M Pa
3 3
5
根据线路实测结果 , 电机垂向加速度在 - 1 ± 4. 0g的范围内 , 电机横向加速度为 ± 3. 0g, 电机纵 向加速度为 ± 4. 0g。由直流电机质量为 1146kg, 可计算得转向架构架疲劳计算载荷如表 2 所示 ,电 机吊座垂向振动荷载 ( FZ3 或 FZ4 ) 为 33. 7 / - 56. 2kN ,横向振动载荷 ( FY1 或 FY2 ) 为 ± 33. 7kN , 纵 向振动载荷 ( FX3 或 FX4 ) 为 ± 22. 4kN。牵引拉杆 座纵向载荷 ( FX1 或 FX2 ) 为 ± 29. 2kN , 齿轮箱吊 座垂向载荷 ( FZ5 或 FZ6 ) 为 ± 37. 5kN。各个荷载 的取值均比原设计计算载荷大 。
D =
针对上海 1 号线直流车车型的转向架 ,国内学 者吴云文
[2]
,王建兵
[3]
等做过一些研究和分析 , 但
是这些研究限于线路振动数据的不足和之前的理 论积累不够 ,仅仅是利用有限元工具 , 按照国际铁 路的设计规范载荷 , 计算构件强度 , 再进而判断构 件的疲劳强度是否满足要求 。程祖国 , 任利惠
2009 年第 5 期 金国龙 ,等 : 上海地铁 1 号线车辆转向架寿命预测数值分析
861
据统计上海地铁 1 号线自 1992 年运营至今的 16 年中 ,在列车检修作业中多次发现列车动车转 向架构架出现裂纹 ,远远达不到 1 号线车辆技术规 [1] 格书中 30 年使用寿命的要求 。地铁直流机车构 架截止至 2004 年 ,共有 46 个 50 次裂纹出现 ,其中
L ifetim e Pred iction of the Bog ie Fram e of Shangha iM etro L in e 1 by 3D FEM
J IN Guo 2long , X I E Xiong2yao , WANG Ru 2lu
1 1 2
( 1. Key L abora tory of Geotechn ica l Eng ineering, D epa rt m en t of Geotechn ica l Eng ineering, Tong ji U n iversity, S hangha i 200092;
Hyperrmesh软件对转向架进行了网格剖分 ,由于特
图 3 转向架构架有限元网格图
Fig . 3 The finite element model of the bogie frame
别对网格质量进行了控制 , 最终的网格质量比较 好 ,可以保证比较高精度的计算结果 。整个模型网 格按照边长为 25mm 的四边形和三角形划分 。采 用四边形或三角形线性板壳单元 、 和 8 节点实体单 元相结合的方式建立有限元模型 。为消弭板壳单 元节点与实体单元节点自由度不匹配的问题 ,采用 R IGI D 单元连接实体单元与板壳单元 。板壳单元 厚度根据实际构架的钢板实际厚度 , 分为 7mm、 8mm、 10mm、 12mm 四种 。板壳单元数 : 43092, 实 体单元 数 : 12610, R IGI D 单 元 数 : 665, 节 点 数 : 60726。模型网格如图 3。
1 1 2
3
( 1. 同济大学地下建筑与工程系岩土工程重点实验室 ,上海 200092; 2. 上海地铁运营有限公司 ,上海 200003 )
摘 要 : 上海地铁 1 号线自 1992 年运营至今 , 在列车检修作业中多次发现列车动车转向 架构架出现裂纹 ,远远达不到 1 号线车辆技术规格书中 30 年使用寿命的要求 。针对地铁转向 架结构特点和受力特点 ,对地铁转向架进行了三维有限元计算 ,并且利用名义应力疲劳设计法 对电机吊座应力集中部位进行了分析 ,得到反映结构疲劳强度性能的 S - N 曲线 ,进行了寿命 预测 。计算结果表明 : 转向架构架产生的裂纹主要是由于疲劳强度不足产生的疲劳裂纹 ,垂向 振动和横向振动是引起裂纹的主要因素 。由于横向振动出现的频率远高于垂向加速度 ,其损 伤量甚至大于垂向振动损伤量 。 关键词 : 地铁转向架 ; 有限元分析 ; 寿命预测 中图分类号 : TD122 文献标识码 : A 文章编号 : 1673 - 0836 ( 2009 ) 05 - 0860 - 07
收稿日期 : 2009 2 06 2 12 (修改稿 ) 作者简介 : 金国龙 ( 1984 - ) , 男 , 硕士研究生 , 主要从事隧道与地下工程的研究工作 。 E2 mail: J inguolong . Tj@ hot2 mail . com 基金项目 : 国家自然科学基金项目 ( 40874074 ) ; 上海市自然基金资助 ( 07ZR14117 )
元受力分析
3. 1 计算基本设定条件及材料参数取值
基本假定 : ( 1 )假定材料为各向同性 ,均质 。 ( 2 )假定焊缝强度高于构架材料强度 , 焊缝材 质等效为构架材质 。 ( 3 )结构按照线弹性小变形前提进行分析 。 ( 4 )忽略抗侧滚扭杆对构架的力学影响 。 (由 于扭杆与肋板无直接接触 ,且侧架板未出现裂纹 ) 转向架构架材料为 ST52 - 3, 为德国钢牌号 , 其材料参数取值如表 1 所示 。 3. 2 转向架三维建模及网格离散技术 利用 UG 软件对转向架进行三维建模 , 利用
2. 1 名义应力法
名义应力疲劳设计法是以名义应力为基本设 计参数 ,以 S - N 曲线为主要设计依据的疲劳设计 方法
[7]
Ni
D cr = 1
( 4)
。构件或结构在常幅载荷作用下 , 对于给
定的应力幅 ,通过 S - N 曲线即可求得疲劳寿命 。 名义应力法估算构件 及结 构寿命 的基 本步